Automation und Prozessoptimierung der Astaxanthin-Produktion (Pro-ASTAX): vom digitalen Zwilling zur Prozessführung und Online-Optimierung

Abstract

Mikroalgen ermöglichen eine nachhaltige, CO2‑neutrale Herstellung von Hochwertstoffen wie Omega‑3‑Fettsäuren, Pigmenten und Biopharma‑Molekülen. Durch hohe Produktivität, geringe Flächenbeanspruchung und einfache Skalierbarkeit leisten sie einen entscheidenden Beitrag zur Ressourcenschonung und Wertschöpfungssystemen der Kreislaufwirtschaft. Die hierzu notwendigen Methoden und Konzepte zur Digitalisierung und Prozessführung standen im Mittelpunkt dieses Projekts, das sich der mikroalgenbasierten Produktion der Antioxidanz Astaxanthin durch die Mikroalge Haematococcus pluvialis in photokatalytischen Rohrreaktorensystemen gewidmet hat. Die Ansätze hatten die modell- und datengestützte Erzeugung eines digitalen Prozesszwillings als Basis für die Entwicklung von Methoden, Strategien und Lösungen zur Prozessoptimierung, Prozessüberwachung und robusten Prozessführung unter Berücksichtigung von Systemunbestimmtheiten und Störungen zum Ziel. Dies beinhaltete den Entwurf und die Implementierung von Beobachterstrategien bzw. Software-Sensoren zur Online-Rekonstruktion von nicht oder nur aufwändig messbaren Prozessgrößen anhand der Rückkopplung von digitalem Prozesszwilling und geeigneten Messgrößen. Dabei sollte die örtliche Ausdehnung des betrachteten photokatalytischen Rohrreaktors und die resultierende örtliche und zeitliche Evolution relevanter Prozessgrößen explizit berücksichtigt werden. Darauf aufbauend erfolgte der Entwurf einer optimal-prädiktiven Regelungsstrategie, welche ein auf den betrachteten mikroalgenbasierten Prozess bezogenes dynamisches Optimierungsproblem unter Einbezug energetischer und ökonomischer Nebenbedingungen über einen sequentiell zeitlich wandernden Horizont löst. Die Entwicklungen wurden in umfangreichen Simulationsstudien und Hardware-in-the-loop-Tests evaluiert.